Влияние внешних событий природного и техногенного характера на частоту повреждения активной зоны Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние внешних событий природного и техногенного характера на частоту повреждения активной зоны Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС

Морозов Владимир Борисович

Калинкин Игорь Владимирович

Юрьев Роман Васильевич

Васюков Максим Михайлович

ОАО Атомэнергопроект

Основанием для разработки ВАБ для внешних инициирующих событий (ИС) для блоков Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС является требования п. 4.2.2 ОПБ-88/97 [1] и п. 6.15 нормативного документа НП-064-05 [2].

Целью разработки ВАБ для внешних инициирующих событий является учет вклада внешних воздействий в частоту повреждения активной зоны, выявление основных сценариев, которые могут привести к повреждению активной зоны, разработка предложений, направленных на предотвращение тяжелого повреждения активной зоны при внешних воздействиях. В выполненных анализах рассматривались режимы работы блоков на мощности.

Разработка ВАБ для внешних событий выполняется в соответствии с РБ-021-01 [3], и включает следующие основные этапы:

анализ проектной информации и информации ВАБ для внутренних ИС;

формирование обобщенного списка внешних событий;

выполнение отборочного анализа на основании «качественных» критериев отбора;

оценка частот ИС и анализ на основании количественных критериев отбора;

вероятностный анализ сейсмичности площадки;

граничный и детальный анализ выбранных ИС;

разработка логических моделей и вероятностный анализ аварийных последовательностей для внешних инициирующих событий.

Ниже подробно рассмотрены особенности разработки этих этапов.

Анализ проектной информации выполняется на основании проектной документации, отчетов по обоснованию безопасности, отчетов ВАБ для внутренних ИС и данных комплексных инженерных изысканий характеристик площадки.

На этом этапе формируется список зданий, сооружений и оборудования для анализа. В качестве основы для него рекомендуется использовать список, используемый в ВАБ для внутренних исходных событий - список безопасного останова блока, который следует дополнить элементами, повреждение которых потенциально может привести к нарушению работоспособности или повреждению элементов исходного списка. К таким элементам относятся пассивные элементы АЭС, такие как строительные конструкции, сооружения, линии коммуникаций и другие элементы, повреждения которых не рассматривается в ВАБ для внутренних ИС.

Кроме того в список следует включить здания и сооружения, а также размещенное в них вспомогательное оборудование 3 и 4 класса безопасности, отказы которого являются инициирующими событиями. Например, ОРУ-550 кВА и ОРУ-220 кВА, повреждение оборудования которых внешними воздействиями может привести к обесточиванию блока.

Для действующих блоков также в список включаются элементы оборудования, повреждение которых при сейсмических воздействиях может привести к образованию вторичных последствий этих событий (напр. летящих предметов, пожаров, взрывов и т.п.). Одним из методов для составления такого полного списка является обход блока, который можно выполнить на действующем блоке или блоке, находящемся на предпусковом этапе.

Обобщенный список внешних событий, необходимый для выполнения ВАБ для внешних инициирующих событий Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС, составлялся на основе примерного обобщенного перечня внешних исходных событий, приведенного в РБ-021-01 [3]. Полнота обобщенного перечня ИС и его систематический и последовательный анализ на этапе отборочного анализа обеспечивают полноту и состоятельность всего исследования риска внешних воздействий.

Последовательный отборочный анализ выполняется с целью концентрации усилий только на тех внешних исходных событиях, которые являются потенциально значимыми с точки зрения риска тяжелого повреждения активной зоны. Применяемый подход основан на последовательном усилении глубины и детальности анализа, а также и последовательном снижении степени консерватизма по мере выявления значимости исходных событий. Схема, иллюстрирующая принятый подход, приведена на рисунке 1.

Чтобы адекватно оценить риск от всех возможных внешних исходных событий, и при этом минимизировать затраты на исследование незначимых с точки зрения риска исходных событий, необходимо использовать реалистичные критерии отбора.

В РБ-021-01 [3] приведены критерии для исключения ИС из дальнейшего рассмотрения, основанные на сравнительно общих и несложных анализах. Эти критерии делятся «качественные» и «количественные».

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Общий подход к выполнению ВАБ для внешних ИС

Отборочный анализ по «качественным» критериям позволяет исключить ИС в случаях, когда ИС, способное оказать воздействие на блок АС, не может возникнуть достаточно близко к площадке АС; ИС входит в определение другого рассмотренного события; ИС отличается медленным характером развития, и персонал станции имеет в своем распоряжении большой запас времени, чтобы предотвратить его развитие до критической величины воздействия или обеспечить адекватные меры по ограничению его воздействия.

Использование «количественных» критериев, обеспечивающих обоснование отсутствия значимости ИС для общего риска тяжелого повреждения активной зоны, требует предварительной оценки частоты возникновения ИС и установлении зависимости от нее интенсивности воздействия ИС. Внешние события могут быть исключены из рассмотрения, если ИС или само имеет очень низкую среднюю частоту возникновения (<10^-6/год), или значительно более низкую среднюю частоту возникновения, чем другие рассмотренные события, характеризующиеся аналогичной неопределенностью и не менее тяжелыми последствиями с точки зрения риска тяжелого повреждения активной зоны; ИС характеризуется аналогичным или меньшим разрушающим потенциалом, чем событие, для которого защищенность АС обеспечена проектом; Частота события с разрушающим потенциалом, приводящим к повреждению активной зоны ниже 10^-6 1/год. Пояснения по использованию «количественных» критериев подробно изложены в РБ-021-01 [3].

Важно отметить, что в техническом задании на проект Нововоронежской АЭС-2 установлено требование, в соответствии с которым значение общей вероятности тяжёлого повреждения ядерного топлива не должно превышать 1,0·10^-6 на реактор в год, поэтому, с целью недопущения исключения событий с частотой в диапазоне 10^-7…10^-6 1/год, частота 10^-6 1/год в требованиях критериев отбора была изменена на 10^-7 1/год.

Очевидно, что сейсмические воздействия не могут быть исключены из рассмотрения на основании «качественных» критериев, и отличаются от других внешних воздействий влиянием на все элементы АЭС. Поэтому для сейсмических воздействий требуется выполнение полноценного вероятностного анализа и определение частоты ПАЗ.

Процедура вероятностного анализа сейсмичности площадки включает в себя пять этапов исследований. Первый этап предусматривает выявление возможных очагов землетрясения (ВОЗ). На втором этапе определяются параметры каждой из выделенных зон ВОЗ, в первую очередь - предельная (максимально возможной) магнитуда, устанавливаются параметры повторяемости землетрясений разных магнитуд (закон Гутенберга-Рихтера). На третьем этапе устанавливается распределение расстояний «площадка - очаг потенциального землетрясения» в районе. На четвёртом этапе осуществляется переход от очага потенциального землетрясения к параметрам сейсмических колебаний как выражению, собственно, сейсмической опасности. На этом этапе применяются эмпирические модели затухания сейсмических волн, позволяющие прогнозировать параметры колебаний на площадке в зависимости от магнитуды, особенностей механизма в очаге, расстояния до площадки, глубины очага, грунтовых условий площадки и т.д. Наконец, на пятом этапе производится расчёт выбранных параметров сейсмических колебаний для разной вероятности непревышения значений и разной вероятности реализации в течение одного года (кривых сейсмического риска).

Для учёта неопределённостей в моделях и исходных данных используется метод «логического дерева». Различают алеаторную и эпистемическую неопределенности. Алеаторная неопределённость связана со случайным характером изучаемых процессов (заранее не известны точное положение очага землетрясения, точное значение магнитуды, точные параметры сейсмических колебаний и т.д.). В принципе, по мере накопления фактических данных, неопределённость этого вида может быть снижена до некоторого предела, характеризующего дисперсию генеральной совокупности. Эпистемическая неопределённость обязана, в первую очередь, отсутствию достаточных знаний о процессах и замене знаний некоторыми моделями. Поскольку наши знания о природных процессах всегда будут оставаться неполными, эпистемическая неопределённость также будет иметь место всегда. Снизить этот вид неопределённости можно анализом результатов, полученных с применением разных моделей, отражающих разные точки зрения на одно и то же явление, что и составляет основной смысл метода «логического дерева». В качестве примера на рисунке 2 приведен фрагмент «логического дерева», построенного для площадки Балаковской АЭС. Цифрами на «логическом дереве» показаны значения весовых коэффициентов, принятые в расчетах.

Рисунок 2. Фрагмент «логического дерева»

Согласно описанной процедуре на основе имеющихся сейсмологических данных изысканий были выполнены вероятностные анализы сейсмичности площадок Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС. Полученные в результате анализов средние кривые сейсмического риска площадок приведены на рисунках 3 и 4 соответственно.

Граничному и детальному анализу подвергаются события, не исключенные на этапе предварительного отбора. Выделяют два типа таких событий:

- события, для которых может быть выполнен только консервативный «граничный» анализ, с целью обоснования того, что-либо частота ИС меньше, чем принятая при выборе критериев отбора, либо обоснования незначительности последствий;

- события, для которых должен выполняться полномасштабный вероятностный анализ безопасности.

Рисунок 3. Средняя кривая сейсмического риска площадки Нововоронежской АЭС-2

Рисунок 4. Средняя кривая сейсмической опасности площадки Балаковской АЭС

На этапе граничного анализа частота повреждения активной зоны оценивается на основании консервативных допущений, принимаемых для вышеприведенных характеристик.

Детальность выполнения граничного анализа определяется значимостью ИС. Основная цель граничного анализа - получить реалистичные оценки частоты повреждения активной зоны с минимальными затратами.

Для выполнения детального анализа собирается информация необходимая для определения возможных аварийных сценариев рассматриваемого исходного события. Далее выполняется оценка частот возможных сценариев. Затем для каждого сценария, с использованием модели ВАБ уровня 1 для внутренних ИС, определяется условная вероятность повреждения активной зоны. Сценарии, условная вероятность повреждения которых, оценена выше, чем 0,1% от общей оцененной частоты повреждения активной зоны для внутренних ИС, подвергаются более детальным исследованиям с целью снижения уровня консерватизма и получения более реалистичных оценок. На данном этапе возможно выполнение большого объема анализов с использованием модели ВАБ уровня 1 для внутренних ИС, уточненной для целей учета специфических особенностей аварийных сценариев.

Согласно описанной выше методике был выполнен ВАБ для внешних инициирующих событий природного и техногенного характера блоков 1 и 2 Нововоронежской АЭС-2 и блока 1 Балаковской АЭС. Для оценки интенсивности нагрузок от природных внешних воздействий использовались нормативные документы [4] и [5], а также данные метеорологических наблюдений.

Для Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС были выполнены граничные анализы для следующих внешних событий:

- «Внешнее затопление», где рассмотрены сценарии внешнего затопления площадки в результате прорыва дамб;

- «Сильный ветер», где рассмотрены сценарии повреждений на площадке, вызванные экстремальными ураганными ветрами и смерчами;

- «Обледенение», где рассмотрены нагрузки от гололедно-изморозевых отложений на ВЛ;

- «Снеговые нагрузки», где рассмотрено давление снега на кровли сооружений;

- «Взрыв», где рассмотрены вне- и внутриплощадочные взрывы, аварии на транспорте (кроме авиатранспорта), а также зависимый отказ системы охлаждения генератора, приводящий к взрыву водорода;

- «Падение метеорита»;

- «Падение самолета», где рассмотрено падение воздушных транспортных средств и их обломков.

Детальный анализ выполнялся для «Сейсмических воздействий». Для определения частот сейсмических инициирующих дополнительно строились кривые сейсмической повреждаемости элементов. Под сейсмической повреждаемостью понимается условная вероятность отказа рассматриваемого элемента при достижении параметром движения грунта или параметром сейсмической реакции поверхности грунта определенного значения. Методы определения сейсмической повреждаемости изложены в [6,7]. Полный риск от отказа элемента при сейсмическом воздействии определялся по формуле:

,

где HY_f - повторяемость отказа элемента от сейсмических событий, 1/год;

H(a) - зависимость повторяемости превышения горизонтального пикового ускорения на открытой поверхности, a 1/год (кривая сейсмического риска);

f(a) - зависимость условной вероятности отказа от горизонтального пикового ускорения на открытой поверхности, a (сейсмическая повреждаемость элемента).

Результаты граничных и детальных анализов внешних исходных событий для площадок Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС приведены в таблицах 3 и 4. В таблицах 5 и 6 приведены частоты повреждения активной зоны для внешних природных и техногенных воздействий для блоков Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС. На рисунках 5 и 6 показан вклад различных групп внешних ИС и внутренних ИС в суммарную частоту ПАЗ рассматриваемых блоков.

Таблица 3. Результаты граничных и детальных анализов внешних воздействий природного и техногенного характера для площадки Нововоронежской АЭС-2

Таблица 4. Результаты граничных и детальных анализов внешних воздействий природного и техногенного характера для площадки Балаковской АЭС

Таблица 5. Частоты повреждения активной зоны для внешних природных и техногенных воздействий для блоков Нововоронежской АЭС-2

Таблица 6. Частоты повреждения активной зоны для внешних природных и техногенных событий для блоков Балаковской АЭС

Рисунок 5. Вклад различных групп внешних ИС и внутренних ИС в суммарную частоту ПАЗ для блоков Нововоронежской АЭС-2

Рисунок 6. Вклад различных групп внешних ИС и внутренних ИС в суммарную частоту ПАЗ для блоков Балаковской АЭС

Как видно из рисунка 4 суммарный вклад внешних событий в частоту повреждения активной зоны на один блок Нововоронежской АЭС-2 составил 20 % полной частоты повреждения активной зоны или 3,89•10^-8 1/год.

Среди доминантных вкладчиков в частоту ПАЗ при внешних событиях необходимо выделить сценарий, инициирующим воздействием которого является сверхнормативная снеговая нагрузка. Максимальный вклад событий связанных с экстремальными снегопадами объясняется изначально относительно большой частотой (4,8•10^-4 1/год) инициирующих событий, связанных с возможным повреждением здания турбинного отделения, в результате которого возможны зависимые отказы оборудования второго контура (пожары, разрыв ГПК). Перекрытия машзала рассчитаны на нагрузку от снега, соответствующую повторяемости события 1 раз в 100 лет. При превышении расчетной нагрузки более чем на 30% (соответствует повторяемости события 1 раз в 10000 лет), возможно обрушение кровли, следствием которого могут быть различные события, в частности разрыв всех четырех паропроводов в отсекаемой от ПГ части. Поскольку при повреждении перекрытий здания турбины также постулируется кратковременное (до 24 часов) обесточивание АЭС из-за отказа оборудования ОРУ, для приведения блока в безопасное состояние требуется закрытие БЗОК на всех паропроводах, а также запуск дизельной генераторной установки (ДГУ) и их подключение на секции САЭ.

В данной ситуации отказ двух аккумуляторных батарей САЭ по общей причине (потеря емкости) приводит совместно к невозможности подключения ДГУ к соответствующим секциям безопасности и незакрытию БЗОК по причине отсутствия питания. В свою очередь, следствием отказа САЭ является неработоспособное состояние всех активных систем. СПОТ при данном сценарии также неработоспособен из-за потери воды в ПГ через негерметичные паропроводы. Частота данного минимального сечения с отказом АБ САЭ по общей причине составляет 1,64•10^-8 1/год, т.е. примерно 40% от общей частоты ПАЗ при внешних воздействиях.

Следует отметить, что анализ экстремальных снеговых нагрузок и оценка частоты инициирующего события, вызванного воздействием снеговых нагрузок, были основаны на консервативных принципах, как этого требует сама идея граничного анализа. Так, например, не учитывались запасы, которые могут существовать в элементах конструкции при восприятии нагрузок сверх расчетной снеговой нагрузки. Однако, учитывая, что в климатологии существует некоторая тенденция к увеличению объемов выпадающего снега и это отражено в отечественных нормах (снеговой район за 20 лет изменялся в сторону увеличения нагрузки 3 раза), считаем, что данное допущение достаточно оправдано. Вместе с тем следует отметить, что при умеренной скорости выпадения снега на отечественных блоках АЭС существуют административные процедуры, позволяющие предотвратить повреждение кровельных конструкций зданий путем очистки выпавших масс снега. Консерватизм применяемого подхода заключается в предположении, что экстремальные снеговые массы выпадают либо в очень короткий промежуток времени (например, ночное время), либо в период, когда привлечение соответствующих человеческих ресурсов может потребовать относительно длительного времени (например, длительные праздничные выходные).

Экстремальные снеговые нагрузки и раньше рассматривались в ВАБ для внешних событий как источники инициирующих событий. Так, например, в выполненном ранее ВАБ для внешних воздействий для пятого блока Нововоронежской АЭС в рамках проекта «СВИСРУСС», снеговые нагрузки с обесточиванием и повреждение здания турбины в частоте повреждения активной зоны составили 7,7•10^-6 1/год (3,39•10^-8 1/год для Нововоронежской АЭС-2).

Согласно рисунку 5 суммарный вклад внешних событий в частоту повреждения активной зоны блока 1 Балаковской АЭС составил 27 % полной частоты повреждения активной зоны или 7,97•10^-6 1/год. Суммарная средняя оценка ЧПЗ от внешних и внутренних ИС составила 2,9610^-5 1/год.

В качестве рекомендаций по совершенствованию проекта по результатам ВАБ предлагается выполнить резервное питание регуляторов СПОТ и арматуры в обвязке БЗОК через инверторную сеть от дополнительной АБ емкостью 24 ч. При этом рекомендуется предусмотреть периодический контроль дополнительной АБ, что обеспечит отсутствие отказа по общим причинам с основными батареями САЭ. Кроме того при разработке документации по эксплуатации АЭС внимание следует уделить действиям персонала станции по обеспечению своевременной уборки снега с крыш зданий и сооружений в случае экстремальных снегопадов. В рассмотренном сценарии это позволит избежать отказа БЗОК и, тем самым, отводить тепло пассивным способом при помощи СПОТ. Внедрение данного решения существенно понизит частоту ПАЗ при указанных внешних воздействиях.

Доминантными вкладчиками в частоту ПАЗ 1 блока Балаковской АЭС при внешних событиях являются события с повреждением брызгальных бассейнов смерчем. Анализ в этой части имеет запас, поскольку консервативно принималось повреждение всех секций брызгальных бассейнов снабжающих блок технической водой группы «А». Также предполагалось, что смерч любого класса (интенсивности) способен вызвать это последствие и считалось, что данное событие происходит совместно с обесточиванием. Кроме того не учитывалась возможность восстановления объема воды в брызгальных бассейнах, которая может быть выполнена различными способами (подпитка из водохранилищ насосами или автомобильным транспортом). Вторым основным вкладчиком являются сейсмические воздействия. Кроме того, вклад на уровне 3-4 % вносят сценарии с экстремальным внешним затоплением вследствие прорыва водохранилищ в сочетании с катастрофическим половодьем. Следует отметить, что для разработки сценариев потенциального затопления площадки, на основе современных методов математического моделирования, необходимо выполнить уточняющие оценки максимального уровня Саратовского водохранилища при сочетании прорыва плотины Куйбышевского гидроузла и катастрофического половодья на р. Волге. Сценарии с повреждениями экстремальными ветровыми и снеговыми нагрузками вносят незначительный вклад в частоту повреждения активной зоны.

Сравнивая результаты анализов, можно заметить, что воздействие смерча дает различный вклад в частоту ПАЗ блоков Нововоронежской АЭС-2 (1%) и Балаковской АЭС (12%), при том, что частота возникновения соответствующего ИС примерно одинакова. Данное различие объясняется наличием СПОТ на блоках Нововоронежской АЭС-2, что обеспечивает расхолаживание блоков в случае потери технической воды в брызгальных бассейнах. Сейсмические воздействия также вносят различный вклад в частоту ПАЗ блоков Нововоронежской АЭС-2 (1%) и Балаковской АЭС (10%) в силу различной сейсмичности площадок и конструктивных особенностей блоков. Конструктивными особенностями объясняется и различие во вкладе воздействий экстремальных снегопадов.

В будущем планируется выполнить обход площадок блоков Нововоронежской АЭС-2 и Балаковской АЭС, рекомендуемый п. 3.3 руководства РБ-021-01 [3]. Во время обхода выполняется верификация обобщенного перечня ИС с учетом обоснований защищенности блока, а также определение возможных источников опасности, связанных с особенностями проекта блока или площадки АС (включая объекты, находящиеся за территорией АС) и не вошедших в обобщенный перечень. После обходов результаты выполненных анализов будут уточены.

Список литературы

повреждение активный зона мощность

1. «Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБ-88/97», НП-01-97 (ПНАЭ Г-1-11-97), Госатомнадзор России, Москва, 1997.

2. НП-064-05 «Учёт внешних воздействий природного и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии», Ростехнадзор, Москва, 2005.

3. РБ-021-01. Оценка частоты тяжелого повреждения активной зоны реактора (для внешних исходных событий природного и техногенного характера). ГосАтомНадзор России, Москва, 2001.

4. РБ-022-01. Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии. Госатомнадзор России, ГосАтомНадзор России, Москва, 2001.

5. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*, Министерство регионального развития, Москва, 2011.

6. Кennedy, R.P., Overview of methods for seismic PRA and margin analysis including recent innovations, (Paper presented at OECD/NEA/JAERI Workshop on Seismic Risk, Tokyo, Japan, August 1999).

7. Campbell R et. al, Seismic Fragility Application Guide, EPRI, Palo Alto, CA: 2002. 1002988.

Размещено на Allbest.ru